La velocidad del sonido (I)

27 de febrero de 2017

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Bruno Henríquez

El saber no da respuestas a quien no hace preguntas.
Descartes

 

El ruido, la bulla, la voz, la música son manifestaciones de un fenómeno llamado sonido que se forma al propagarse las ondas de presión en el aire o en otro medio líquido o sólido. Algunos podrían pensar que el sonido se genera cuando un objeto es golpeado o vibra por alguna acción mecánica, pero le aclaro que si no lo hace inmerso en un fluido como el aire o el agua o en contacto con algún otro cuerpo no se producen vibraciones audibles.

El sonido se propaga en el aire, a través de los líquidos y de los sólidos. Está formado por ondas de presión que cambian en la misma dirección del movimiento. Las ondas y los fenómenos vibracionales en general tienen como características físicas su amplitud, periodicidad, velocidad de propagación y fase.

Si se grafica la amplitud de la onda en el tiempo, se puede apreciar que esta se corresponde con la intensidad de la variable física que la caracteriza. Si lo vemos en el tiempo podemos notar cuál es su período (tiempo entre un pico y otro) y pero si lo vemos en su distribución en el espacio tendremos la longitud de onda que se corresponde con la distancia que recorre la onda en un período.

 

 

Otra característica de las ondas es la frecuencia, esta señala cuantos picos ocurren en un intervalo de tiempo dado, es inversa al período, a una mayor frecuencia ocurren más picos en un intervalo de tiempo, a menor frecuencia ocurren menos picos. Se asocia así una longitud de onda larga a bajas frecuencias y una corta a altas frecuencias.

 

 

En el sonido las altas frecuencias corresponden a sonidos más agudos, mientras que las bajas frecuencias son más graves, cuando tratamos con ondas electromagnéticas en especial de la luz visible las frecuencias más altas están en el extremo violeta del espectro, mientras que las frecuencias más bajas están en el extremo rojo del espectro.

En la naturaleza aparecen ondas llamadas longitudinales o transversales en dependencia de la dirección en que ocurre el cambio de la magnitud que caracteriza la onda, por ejemplo la onda que se mueve en la superficie de un estanque crea un movimiento transversal de las moléculas del agua, o sea el agua sube o baja sin cambiar de lugar mientras la onda se propaga alejándose de su origen, las ondas longitudinales, como las del sonido sufren variaciones de la presión en la misma dirección en que se propaga, por lo que las moléculas del aires sufren movimientos de avance y retroceso en la dirección de propagación.

Cuando se habla de la velocidad del sonido nos referimos a la velocidad a la que el efecto de la onda de presión se propaga, esta depende de la densidad y temperatura del medio en que se propaga, en general el sonido en el aire se propaga con una velocidad media de 340 m/s. (en el agua   y en la tierra).

Para calcular la velocidad del sonido en función de la temperatura se toma como referencia unas veces 0 C o 25 C que se considera una temperatura media normal

Aunque la lógica cotidiana nos pueda hacer pensar de otra manera el sonido viaja más rápido en los sólidos que en los líquidos y en estos más rápido que en el aire.

A continuación les muestro una tabla con algunos valores de la velocidad del sonido en diferentes condiciones.

 

 

Vale la pena notar que la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s por cada grado Celsius que sube la temperatura.

Cuando se conoce la velocidad del sonido se puede calcular la distancia a que se encuentra un objeto que haga un sonido aislado lo suficientemente intenso como un cañonazo o un rayo.

Si vemos caer un rayo y contamos los segundos hasta que oímos el trueno al multiplicar ese número por la velocidad promedio del sonido en el aire podemos conocer aproximadamente a que distancia cayó. El tiempo que demora la luz en llegar hasta nosotros en ese caso se puede considerar cero por lo grande que es la velocidad de la luz.

Si sabemos que el cañonazo de las 9 en La Habana se produce a la hora en punto, en el Castillo del Morro al contar los segundos que demora en oírse podemos conocer a que distancia nos hallamos, del lugar donde ocurre el disparo, mientras más lejos estemos además de percibir una mayor demora, más grave nos parecerá el sonido del cañonazo.

 

 

Los sonidos más graves como las sirenas de los barcos o los de los trenes se oyen más lejos pues disipan menos energía, mientras que los más agudos aunque puedan parecer más intensos, por su frecuencia disipan la energía en menos tiempo y no llegan tan lejos.

Cuando un objeto se mueve en el aire a una velocidad inferior a la del sonido, que es lo más habitual, las ondas de presión que este forma se aprietan en la dirección del movimiento y se separan en el sentido opuesto.

Así al apretarse las ondas recibimos el sonido como más agudo y al separarse lo recibimos como más grave.

 

 

 

Esto se nota por ejemplo cuando una moto o un tren se acerca a gran velocidad, entonces su sonido parece muy agudo, cuando pasa y se aleja entonces el sonido se oye más grave.

Lo que se produce es el llamado “Efecto Doppler”, usado en muchos aspectos de la vida cotidiana desde medir la velocidad de los vehículos, los flujos de sangre en las venas y si las estrella en el firmamento se acercan o se alejan de nosotros.

 

 

 

El efecto Doppler se usa también en otras ondas ya sea longitudinales como el sonido o transversales como las ondas electromagnéticas.

Las pistolas de medir velocidad de la policía de tránsito trabajan con radiación infrarroja.

¿Y qué ocurre cuando un cuerpo en un fluido o una corriente del fluido se mueven más rápido que el sonido?

De eso trataremos en la próxima entrega de esta serie acerca de la velocidad del sonido.